FR2713759A1 - Optical imaging system for non-contact detection of observed object shape and colour by space-time opto-electronic triangulation - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concene un dispositif optolectronque de ingul spato-The present invention relates to an optolectronic device of ingul spato-
temporelle destiné à la misaion en temps réel et sans contact de la surace dfobjets dont le reli et les textures tant colori que p tom e sont quelconques. l est souvent nécessaire de contrôler en cours ou en fin de fabrication les dimenions temporal for the real-time, contact-free implementation of the surace of objects whose binding and textures as well as any color are arbitrary. It is often necessary to check in progress or at the end of production the dimenions
de pièces industrielles afin d'en valider la bonne exécution. industrial parts in order to validate the correct execution.
Les principales egences d'une mesure dimensionnaee sont en général: qu'elle soit réalisée en temps rédl, qu'elle puisse être effectuée sur des surfaces n'autorisant aucn contact, que rxactitude de la mesure soit compatible avec l e ences de The main aspects of a dimensioned measurement are in general: that it be carried out in reduced time, that it can be carried out on surfaces that do not allow contact, that the accuracy of the measurement is compatible with the
rfpfecation considérée.rfpfecation considered.
L'analyse de rétat de rart en métrologie 3D tant au niveau des principes physiques qu'à celui de leurs différentes mises en oeuvre te ol Us met en évidence les deux limitations essentiedes rencontrées dans les syèmes basés sur la triangulation géométrique cbLasiqu4 à savoir: la dfficulté de procéder i des mesures photomériques de très grande preasion, les temps et les moyens de calcul importants nécessaires à rextractio des coordonnées (x, y, z) de rensemble des points mesurés (typiquement quelques R & D analysis in 3D metrology, both in terms of physical principles and of their different implementations, shows the two essential limitations encountered in syhems based on geometric triangulation, namely: it is difficult to carry out very large photomeric measurements, the time and the important means of computation necessary to rextractio the coordinates (x, y, z) of all the points measured (typically a few
milliers à qudelques dizaines de milliers de points par champ de mesure). thousands to tens of thousands of points per measurement field).
Ces deux limitations sont évitées par la présente invention de nson par t li sp atio-temporelle qui consiste à: remplacer les mesures photoméniques par des mesures tnemporelles baucoup plus aisées à réaliser (horloge à 40 MHz), a rendre active la voie d'observation en la faisant participer au codage de These two limitations are avoided by the present invention of non-temporal and temporal means which consists in: replacing the photoménic measurements by temporal measurements which are much easier to achieve (clock at 40 MHz), making the observation channel active by having it participate in the coding of
respace de mesre.respace of mesre.
L'tilisaion dIune voie d'observation 'active" permet de s'affranchir du probl de hla ve dind minaion de rordre de codage. De phls, remploi dune optue d'observation télécentrique permet de réduire " les calculs: les The use of an "active" observation channel makes it possible to overcome the problem of coding ordering error, and the use of a telecentric observation opto reduce the computations.
coordonn x et y des points mesus étant dénies par consucti. x and y coordinate of the mesus points being denied by consucti.
Seul subsiste alors le calcul par interpolation dans une matrice de cabrn=io des Only then remains the calculation by interpolation in a matrix of cabrn = io of
coordonnées z des points eurés.coordinates z of the points eurés.
La présente invention a pour but de réaliser un dispostpour munéri npidement, sans contact, avec précion et à un moindre coût la surface externe d'obje Ce The object of the present invention is to provide a device for conveniently, without contact, with precion and at a lower cost the external surface of this object.
dispositif optoélectronique est basé ur le principe physique de la triangulation sptio- Optoelectronic device is based on the physical principle of spatio-triangulation
temporelle.time.
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-2- La prése invention a pour objet un disposit optd ectnue de triangulation spatio-temporelle destiné à la m éiation en temps réel et sans contact de la surface d'objets de textures photométrique et cdorimétrique quelconques caractW en ce qu'il comporte: a une source optique générant un pimceau n udction n d un système de bagse dans un plan (X, z), parf itemet synchronisé tempore _n, permettant de connatre à chaque instant la direction du picea dnilhn/nnon dans le plan balayé, ò une optique afocale télécentrique d'obso du flux rétrodifusé pr fobjet i mesurer, À une mire de n fntes qui associée i roptique d'observation permet de générer n directions d'observation paranllèles àt r z et coplnair au plan de balayage (x, z)i un détec monolment permettant d'acquérir un signal représentatif des instants sucoess de 6 ssement des fentes par le pinceau retrodffusé par la surface de lobjet mesuré et provenant du poin d'mpact courant sur ledit objet du pinceau duminaion, lo de son dé splacemens t rTae X généré par le système de balayage, ò un détecteur linéaire permettant acquérir un sidgnal repréntatif de rétat d'clairement des fentes de la mire duirant le balyage, ò un système optque per tantm: - d'ager la pupile de loptique drobsernati sur dtetur moo mmt dimager hla mire de fentes sur le détectr liire multanet, une dé de traitement permettant, pour chque balyae, de déterminer les fentes éclairées, de mesurer avec précision les instant successif ti de fraissem des fentes et d'assoaer à chaque fimte échirée f1 nstant écwamt t lui co dant, * un logiciel de calcul permettant de détermhinr laltitude Zi des points acqs sur robjet i mesurer (points crrespondant a intersections de la trace sivat x, générée par le balayage du pinca d'lmmm mion rdobjet, et des dctions d'observation définies par la mire de fentes et roptique afocale télci u), à partir: - des instants d'éclaement ti de chaque fente F, (de chaque direction d!) d'observtio) - des données de cabration définint pour chaque úme 4 (dirction dobs tion) ls instants d'a en tco des a des pm am comes., zÀ des moyens mécaniques de idéplacement retf (translation ou rotation) de robjet à mesurer par rapport aU plan commn de balayge et d'obsvtion The subject of the present invention is a device for spatiotemporal triangulation intended for the real-time non-contact mediation of the surface of any photometric and photoretic texture object, which comprises: a an optical source generating a ndction ndction nd a bagse system in a plane (X, z), parf itemet synchronized tempore _n, allowing to know at any moment the direction of the picea dnilhn / nnon in the swept plane, ò an afocal optics obso telecentric of the backscattered stream for the object to be measured, at a test chart which associates with the observation plane it is possible to generate n observation directions parallel to each other and to the scanning plane (x, z) i a detec monolment making it possible to acquire a signal representative of the sucoess moments of 6 ssement of the slots by the brush retrodffusé by the surface of the object measured and coming from the point of action current on said object of the brush duminai On the basis of its detachment, the X generated by the scanning system, a linear detector allowing to acquire a repetitive representative record of clearly slits of the target pattern, a perceptual system of The user of the optics of the camera should be placed on the screen of the slots on the multanet detector, a processing die which, for each balyae, can be used to determine the illuminated slots, to accurately measure the successive times of the slots and to assoaer to each fimte eclair f1 nstant ecant him cant, * a software of computation making it possible to determine the altitude Zi of the points acqs on robjet to measure (points corresponding to intersections of the trace sivat x, generated by the scan of the pinca d lmmm mion rdobjet, and observation dctions de fi ned by the slit pattern and afocal roptic telci u), from: - instants ti of each slit F, (from each direction d!) of observation) - data of cabration defined for each me 4 (dirction dobs tion) ls instants of a in tco a has pm am comes., zA mechanical means of locplacement retf (translation or rotation) of robjet to measure in relation to the plan of sweeping and obstruction
(xz).(Xz).
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-3- Des formes particulières d'exécution de l'object de la présente invemntion sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en régnce au de nexés das lese: la figure I représente ledi sdon À la figure 2 représente de façon plus dtillée un mode de réalisation du dispositif selon linvention, * la figure 3 représente le chronogramme d'acquisition et de traitement des sgnux -3- Particular embodiments of the object of the present invention are described below, by way of example, in relation to the nexes das lese: Figure I represents ledi sdon In Figure 2 represents so In addition to an embodiment of the device according to the invention, FIG. 3 represents the chronogram of acquisition and processing of the symbols.
issums des détecteurs (5) et (6).emitters of detectors (5) and (6).
Sur la figure 2 est représentée une source laser (1) associée à une optique (11) de naise en forme et de focalisaion du pinceau lunineux A la sortie de roptique (I 1) est placé un mimroir de balayae e (2) qui est piloté par le module électronique (12) et dont la chronisation avec le reste de réquipemt est assurée par le module optoélectronique (13). Ce miir de baayage permet de gér un déplacement angulaire ae if p itnt caractérisé temporement du faisceau dIllumination dans le plan de mesure, ce balayage angulaire se traduit par un déplacement du point courto dimpact r robjet i FIG. 2 shows a laser source (1) associated with an optic (11) of shaped and focalisaion shape of the luninous brush. At the optical output (I 1) is placed a baly eimpler (2) which is controlled by the electronic module (12) and whose chronization with the rest of equipment is provided by the optoelectronic module (13). This baying beam allows to manage an angular displacement which is characterized in a temporal manner by the illumination beam in the measurement plane, this angular sweep is translated by a displacement of the short-term impact point.
mwurer suivant la direction x.mwurer following the direction x.
L'objet à mesurer est situé à lintérieur du champ balayé par le pineau d iaon et est placé sur une table motorisée (10) pilotée par le module tronique (12) et pmettant le déplacement reltif du plan de mesure par rapport i lrobjet suiva une direction ypp a à la direction x de balaye du pinoeaL The object to be measured is located inside the field scanned by the pinna diaon and is placed on a motorized table (10) controlled by the tronic module (12) and provides the relational movement of the measuring plane with respect to the object followed by a ypp management has to x direction of pinoeaL's sweeps
L'optique afocale (3) permet, grdce i la mire de fentes (4) placée en son foyer' ia. The afocal optic (3) allows, thanks to the slot pattern (4) placed in its focus' ia.
de g er des directions d'observation fixes et paraflles entre eles défissat les coordonaées x des points à acquéir sur l'objet à mesurer, qukelles que soient les to manage fixed and paraflix directions of observation between the defissat the coordinates x points to be acquired on the object to be measured, whatever the
corone y et z desdits points.corone y and z of said points.
L'optique de transport (7), associaée à la lame semi-réfléchissante (14), pernme à la fois dimager la pupille de roptique d'observation (3) sur le détecteur photoéebique :mono nent (5), et diager la mire de fentes (4) sur le détecte linMire multi The transport optics (7), associated with the semi-reflective plate (14), allows both the observer pupil (3) to be imaged on the photoebral detector: mono (5), and to diagnose the target Slots (4) on the multi linMire detects
éléments (6).elements (6).
Les détecteurs (5) et (6) sont reliés au module électronique de aise en forme et de titement du signal (S) qui tbnst les données ans acquis au logciel de calc The detectors (5) and (6) are connected to the electronic module of ease in form and titration of the signal (S) which tbnst data acquired years to the logcal calc
de la cote z des points acquis sur robjet (9). the score z points acquired on robjet (9).
Ce logiidel utilise pour la détermination des cotes z, ls données de calbhtion (15) This logiidel uses for the determination of the dimensions z, the calbhtion data (15)
préaablement stockées.previously stored.
Le dispoitif ilhustré par la figure 2 fonctionne de la mière suivante. The device illustrated in Figure 2 operates the next.
L'éectronique de pilotage (12) associée au module de sy on (13) permet de ornnaîe avec précision à daque insntla position angulaire du pinceau The control electronics (12) associated with the sy on module (13) allows to accurately decorate the application of the angular position of the brush.
diuminaton issu de la source laser (1) et de lroptique (I 1). diuminaton from the laser source (1) and loptique (I 1).
BAD ORIGINAL àBAD ORIGINAL to
-4- Lorsque durant le bayage suivant x le point dimpact cournt du faisceau d9bminato sur la suriface de robjet à mesurer tercepte cnt les directio observation défnies par roptique afocale (3) et la ire de fues (4), le flux red pur robjet traver suen elnemnts fntes 4. Lc dux opque et alors transporté sim a nt par roptique (7) et la lame semin rflissante (14) vers le détecteur (5), qui permet de mesurer les instants ti de fracism des fentes, et vers l détecteur (6), qui permet de détner s fro te4. ayant été -4- When during the following baying x the impact point of the d9bminato beam on the surface of the robjet to be measured, the directio observation defnies afocale (3) and the fire ire (4), the flow pure red robjet traverse 4. The dux opque and then transported sim a nt by roptique (7) and the semifluring slat (14) to the detector (5), which allows to measure the moments ti of fracism of the slits, and towards the detector (6), which makes it possible to detect having been
éclairées durant le balayage x.illuminated during scanning x.
Le squncmm der aqionet du titnt des sina sus de dectrs(5) et (6), i à la figure 3, est réalisé de lah ie suivante par réct u (18). Durant le balayage x aner", la source laser (1) fonctionne à puissance constante, le détectaur (5) reçoit le rtrodiffusé par robjet tersant nt les fenrtes The pattern of the determination of the numbers of dectrs (5) and (6), i in FIG. 3, is carried out by the following method by recit (18). During the scan x aner ", the laser source (1) operates at constant power, the detector (5) receives the radio-broadcast by robjet tersant nt the fenrtes
de la mire (4).of the target (4).
L'électronique (8) réaise un les opéations suivantes: détemination et stockage dans une mémoire des valeurs des maxia succs du signal analogique issu de (5), The electronics (8) have one of the following operations: detection and storage in a memory of the values of the maximum successes of the analog signal from (5),
con-version sur 12 bit et stockage du sig nalti. 12-bit con-version and sig nalti storage.
Le détecteur nu lément (6) intgre le flux reçu, durant toute la durée du balayage The bare detector element (6) integrates the received stream, during the entire duration of the scan
aer enregistrantm r état (éclaire ou éteinte) de chane des fnes. aer recorder r state (illuminated or extinguished) of chain of fne.
Durant le balayage x 'retou", la source laser (1) est éteinte, rectonique (S) it le signal issu du détecteasr mutéent (6), fi puist b me ce sina et à hide d'ue logique spécialisée en déduit riétat des fentes (éclairées ou éteintes), puis stoce cette During the scan x 'retou', the laser source (1) is off, rectonic (S) it the signal from the mutated detectoreasr (6), f puist this sina and hide a specialized logic deduced ri slits (lit or extinguished), then stoce this
information dans une mémoire fi.information in a memory fi.
Dans le mêne temps, rélectronique (8) restitue, i raide dun convrissr nm iq analogique 12 bits associé i un filtrage passe bas, le signal ti stocké durt le At the same time, the electronic relay (8) reproduces, by means of a 12-bit analog convector associated with a low-pass filtering, the stored signal duri
bayage aer.aer.
Le sgnati ainsi restitué est découpé en celhdes, chacune coespomnt u fachisseesnt d'me fente par le flux rètroiffisé par roet Pour chaque cefile, un seuil est défini gce à la préalabe du niveau miml, acquis lors du balayage ar. Ce seuil est placé au voisinage des moes i pentes aes Puis les instants de fnissememnt du seui à la monté l et à la descte q2 sot mesus pélsén Les valeurs il et tj2 mesurées pour chaque celle sont emu stockées sdqentie nent dans une mmoire t. Enfin rélectronique (8) tumnet aum koicid The sgnati thus restored is divided into cells, each coespomnt u fachisseesnt slits me by the flux revhirized by roet For each cefile, a threshold is defined gce to the prerequisite of the level miml, acquired during the scan ar. This threshold is placed in the vicinity of the slopes. Then the instants of fnissememnt from the threshold to the mounted l and to the descte q2 are mesus pélsén The values il and tj2 measured for each that are emu stored sdqentie nent in a memory t. Finally electronic (8) tumnet aum koicid
(9) le contenu des mémoires f et tj. (9) the contents of memories f and tj.
BAD ORIGINIALA 4BAD ORIGINIALA 4
-5- Après acquisition de ces données par le logicidel (9), ce dernier deffectue le calcul des coordonnée z des poin spondants pendant que rlctonique (S) acquiert la After acquisition of these data by the logicidel (9), the latter performs the calculation of the z coordinates of the peaks while the logic (S) acquires the
isne suivante.next isne.
Les différentes séquences du calcul de z sont les suivantes: tout d'abord les instants ti de fanchisement des fentes sont calculés en faisant les moynes des instants til et t2 mes pré dmmx par r&ctroqe (8) ensuite les valeurs ti ani obtenues sont appairées, dans un tableau (4, t;) aux frntes éairées la premie fente écaire Corrponda t au prmer t, et ainsi de suite..., le calcul consiste i transformer le tableau (f, ti), issue de rappairage, en un tableau (t z;). Cette tnsform est réalisée à partir de matrices de calbra*n (15) aquises antin ment et qui pour chaque 4 associent à un nombre fini de z connus, atam de temps de cahibration tcal. L'aloehm de calcul consiste, pour chaque, à rechercher dans la table de cahibration corespondante la preie valeur dtre l au issurdlae soit tcj puis i cacuer zi par interpolation linéaire entre tca et tcay-1 z: - - (t, - t.) +z.< Les zi ainsi sont ensuite stockés dans la matrice 3D (r, y, z) de rédtats ou ir est dni par numo de la fente F et y est défini par la position de la table The different sequences of the calculation of z are as follows: firstly, the times ti of clearance of the slots are calculated by averaging the times til and t2 my pre dmmx by reqr (8) then the ti ani values obtained are paired, in a table (4, t;) at the first frequencies, the first cleft shows Corrponda t to prmer t, and so on ..., the calculation consists in transforming the table (f, ti), resulting from the pairing, into a table (tz;). This tnsform is made from matrices of calbra * n (15) antinently aqued and which for each 4 associates with a finite number of known z, atam time of tcal cahibration. The aloehm of computation consists, for each one, to look for in the table of cahorking corresponding the preie value of l to issurdlae is tcj then to conceal zi by linear interpolation between tca and tcay-1 z: - - (t, - t. ) + z. <The zi thus are then stored in the 3D matrix (r, y, z) of the states where ir is denoted by the number of the slot F and y is defined by the position of the table
motorisée (10) los de racquisition de la igne considéte. Motorized (10) los of acquiring the igneous.
L'ensemble de ces calculs étant réalisé pendant le temps nécessire à racquisition d'une nouvelle ligne, le dispositif acquiert donc en tnemps réel raltitude z de points Since all these computations are made during the time required for the acquisition of a new line, the device thus acquires in real time the z-point elevation.
situés sur rotet à mesurer selon un maillage rthonorné. located on a measuring head in a rthonorned mesh.
En pposante péioe de balayage suivant x de 30 ms, et unevitesse de déplacmt de la table y (5) dc 33.333 mm/s, il est posse avec le dispositif seon lnention de mesurer raltitude z de 126 x 126 poin rpartis de façon orthonomée sur un objet de volume maximal 125 x 125 x 80mm3 en moins de 5 socondes et avec With a scanning period of 30 msec, and a speed of displacement of the table y (5) of 33.333 mm / s, it is posse with the device to measure z x 126 x 126 orthogonally distributed on an object of maximum volume 125 x 125 x 80mm3 in less than 5 socondes and with
une précision meilleure que 0.01 mm sur chaque point. a precision better than 0.01 mm on each point.
Grice à ces p bn le dispositif selon nven est destin particulier à la snu so de surface etérieure d'objets, et au contrle en cours de rication sur une ligne de p ion, de la confonnmité des pièces rasées To this end, the device according to the invention is intended particularly for the surface and exterior snubber of objects, and for the control being carried out on a pion line, of the confluence of the shaved parts.
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-6 - Selon un autre mode de réalisation, le détecteur mujltidélément (6) est lu à haute According to another embodiment, the mujltidelement detector (6) is read at a high
cadence, chaque fois qu'un maximum est détecté sur le signal t issu du dttecteur (5). rate, whenever a maximum is detected on the signal t from the detector (5).
Selon un autre mode de réalisation, les valeurs des maxima détectés sur le signal t issu du détecteur (5) durant le n"ime balayage x servent ià moduler la puissance nmise par la source (1) lors du (n+l)ème balayage x de manire ià obnir une ripation énergétique quasi-uiforme des maximuns et ainsi saffnchir des According to another embodiment, the values of the maxima detected on the signal t coming from the detector (5) during the nth scan x serve to modulate the power nmise by the source (1) during the (n + 1) th scan x so as to obtain a quasi-uniform energy ripening of the maximuns and thus to satisfy
variations d'albédo de rlobjet.albedo variations of the object.
Selon un autre mode de réalisation, le pas d'échantilonage sur robjet à oesurer n'est According to another embodiment, the sampling step on the object to be evaluated is
pas consuant de manière à être adapté i la géométie dudit objet. not constituting so as to be adapted to the geometry of said object.
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Claims (6)
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---|---|---|---|
FR9315512A FR2713759B1 (en) | 1993-12-14 | 1993-12-14 | Optoelectronic spatio-temporal triangulation device. |
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FR2713759A1 true FR2713759A1 (en) | 1995-06-16 |
FR2713759B1 FR2713759B1 (en) | 1997-07-04 |
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ID=9454280
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FR (1) | FR2713759B1 (en) |
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FR2713759B1 (en) | 1997-07-04 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
ST | Notification of lapse | ||
RN | Application for restoration | ||
FC | Decision of inpi director general to approve request for restoration | ||
ST | Notification of lapse |